CN112629398B - 岩土径向变形的测量装置和测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种岩土径向变形的测量装置和测量系统，其中，所述岩土径向变形的测量装置包括：弧条组件，所述弧条组件具有待测岩土的放置空间；放大组件，所述放大组件包括彼此相互铰接的两个放大臂，且所述两个放大臂分别铰接于所述弧条组件；所述两个放大臂之间设置有第一测量条；其中，所述第一测量条在所述弧条组件内的投影平行于所述弧条组件的径向。本发明技术方案旨在解决现有技术中无法连续测量岩土径向多尺度变形的技术问题。
Description
技术领域
本发明涉及岩土测量技术领域，特别涉及一种岩土径向测量装置和测量系统。
背景技术
岩土的三轴压缩试验是岩土工程领域的标准实验之一，其可以较为准确地获得不同围压下岩土材料的抗压强度、抗剪强度、弹性模量、变形模量、泊松比以及粘聚力和内摩擦角等参数。在三轴压缩试验中，常用的为圆柱体试样，其径向变形的测算对于岩土的本构关系研究、弹性模量和泊松比等参数取值起着至关重要的作用。
由于岩土试样材料的非均匀性和结构的复杂性，岩土试样的刚度是非线性的，从而导致其变形亦是非线性的。岩土材料在一定工况下，如低幅动荷载、低应力静荷载，变形以小应变为主；而在其他工况下，如高应力静荷载，岩土材料会表现为大变形特点。精确测量岩土试样的径向变形对研究岩石、土体的力学性质具有重要的意义。
现有技术中，在国内外对岩土试样的径向变形测量主要包括两种：固定在岩土试样上的测量，如有局部安装应变片、电阻敏感材料等；和固定在三轴腔体或底座上测量，如激光传感器等。上述的方法，由于方法的精度原因或测量手段所限，大多无法精确测量岩土试样在小应变或无法连续测量岩土试样的变形特点。因而，在岩土试样多尺度测量径向变形方面存在一定的障碍。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种岩土径向测量装置和测量方法，旨在解决现有技术中无法连续测量多尺度岩土径向变形的技术问题。
为实现上述目的，本发明提出一种岩土径向变形的测量装置，所述测量装置包括：
弧条组件，所述弧条组件具有待测岩土的放置空间；
放大组件，所述放大组件包括彼此相互铰接的两个放大臂，且所述两个放大臂分别铰接于所述弧条组件；所述两个放大臂之间设置有第一测量条；
其中，所述第一测量条在所述弧条组件内的投影平行于所述弧条组件的径向。
可选地，所述两个放大臂的远离所述弧条组件一端均构造有第一缺口，所述第一缺口用于放置所述第一测量条，所述第一测量条在连接于所述第一缺口后呈拱形。
可选地，所述第一测量条包括第一金属条和第一光纤光栅传感器，所述第一光纤光栅传感器与所述第一金属条连接。
可选地，所述两个放大臂为刚性的。
可选地，所述两个放大臂之间还连接有平衡元件。
可选地，所述弧条组件包括两个弧形支架；其中，所述两个弧形支架均为半圆形，所述两个弧形支架镜像布置以构造出所述放置空间。
可选地，所述两个弧形支架分别通过铰接轴与对应的放大臂的铰接。
可选地，所述测量装置还包括延长组件，所述延长组件包括两个延长臂，所述两个延长臂分别与各自对应的弧形支架固定连接；其中，所述两个放大臂的远离所述弧条组件一端均构造有第二缺口，所述第二缺口用于放置第二测量条，所述第二测量条在连接于所述第二缺口后呈拱形；所述第二测量条在所述弧条组件内的投影平行于所述弧条组件的径向。
可选地，所述第二测量条包括第二金属条和第二光纤光栅传感器，所述第二光纤光栅传感器与所述第二金属条连接。
为实现上述目的，本发明提出一种岩土径向变形的测量系统，其特征在于，所述测量系统包括数据处理器和前述的测量装置。
本发明的技术方案为：放大臂相互铰接是指两者可以相互转动；并且，两个放大臂还分别与弧条组件相互铰接，即在岩土样具有径向变形的情况下，岩土样的径向变形能够通过放大臂与弧条组件的铰接部位传递至放大臂，放大臂上具有平行于所述弧条组件径向的第一测量条，岩土样的径向变形被放大至第一测量条，从而在三轴压缩试验过程中，岩土样的径向变形能够连续不断地被第一测量条测量得到。基于本发明提供的技术方案，本发明能够在三轴非线性载荷压缩试验、三轴剪切试验等复杂载荷条件下的试验中获得连续的径向变形数据，更接近实际的工况，为实际工况提供更为科学的数据支撑。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明的测量装置的一视角下的结构示意图；
图2为本发明的测量装置的另一视角下的结构示意图；
图3为本发明的测量装置的弧条组件的结构示意图；
图4为本发明的另一优选实施方式的测量装置的一视角下的结构示意图；
图5为图1中A处的局部放大图；
图6为图1中B处的局部放大图；
图7为本发明的测量装置的一优选的放大臂的结构示意图；
图8为本发明的测量装置的一优选的延长臂的结构示意图；
图9为本发明的测量装置的一弧条支架的结构示意图；
图10为本发明的基于第一测量条测得的径向变形随时间的变化示意图；
图11为本发明的基于第二测量条测得的径向变形随时间的变化示意图。
附图标号说明：
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，全文中出现的“和/或”的含义，包括三个并列的方案，以“A和/或B”为例，包括A方案、或B方案、或A和B同时满足的方案。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
本发明中采用的岩土径向变形的测量装置的一个具体的测量方法为：在三轴压缩试验中，通过将岩土试样的径向变形通过放大臂放大后利用放大臂上的第一测量条进行连续的测量。需要说明的是，本发明的测量装置可以用于的岩土试样包括岩样和土样。
本发明的实施例提出一种岩土径向变形的测量装置，参照图1所示，所述测量装置包括：
弧条组件100，所述弧条组件具有待测岩土的放置空间；
放大组件，所述放大组件包括彼此相互铰接的两个放大臂200a，且所述两个放大臂200a分别铰接于所述弧条组件100；所述两个放大臂200a之间设置有第一测量条200b；
其中，所述第一测量条200b在所述弧条组件100内的投影平行于所述弧条组件100的径向。
需要说明的是，在三轴试验过程中，一般为圆柱体的试样，因此，弧条组件100具有的放置空间一般为圆弧形截面(如图2或3所示)。
本发明的技术方案为：放大臂200a相互铰接是指两者可以相互转动；并且，两个放大臂200a还分别与弧条组件100相互铰接，即在岩土样具有径向变形的情况下，岩土样的径向变形能够通过放大臂200a与弧条组件100的铰接部位传递至放大臂200a，放大臂200a上具有平行于所述弧条组件100径向的第一测量条200b，岩土样的径向变形被放大至第一测量条200b，从而在三轴压缩试验过程中，岩土样的径向变形能够连续不断地被第一测量条200b测量得到，如图10所示。基于本发明提供的技术方案，本发明能够在三轴非线性载荷压缩试验、三轴剪切试验等复杂载荷条件下的试验中获得连续的径向变形数据，更接近实际的工况，为实际工况提供更为科学的数据支撑。
可选地，所述两个放大臂200a的远离所述弧条组件100一端均构造有第一缺口200b-1，所述第一缺口用于放置所述第一测量条200b，所述第一测量条200b在连接于所述第一缺口200b-1后呈拱形。参照图1和5所示，具体实施过程中，第一测量条200b的端部为尖端，以将第一测量条200b嵌合入该第一缺口200b-1内；第一测量条200b的长度大于两个放大臂200a之间的最大距离(在弧条组件100的径向方向上)，从而所述第一测量条200b在连接于所述第一缺口200b-1后呈拱形。
可选地，所述第一测量条200b包括第一金属条200b-1和第一光纤光栅传感器200b-2，所述第一光纤光栅传感器200b-2与所述第一金属条200b-1连接。光纤光栅传感器是性能优良的光学反射波敏感元件，其通过Bragg光栅反射波长的移动来感应外界的微小变形变化，其体积小、重量轻、数据稳定、抗电磁干扰能力强、安全可靠。具体实施过程中，第一光纤光栅传感器200b-2可以是粘贴于第一金属条200b-1。如图1所示，第一光纤光栅传感器200b-2粘贴于第一金属条200b-1的拱形顶部；不限于此，第一光纤光栅传感器200b-2还可以按照第一金属条200b-1的长度方向间隔布置，以形成分布式的采集点。
可选地，所述两个放大臂200a为刚性的。该测量装置的放大臂200a要求结构为刚性的或接近刚性的(这种刚性是：放大臂200a的刚度相对于第一金属条200b-1而言的)，以忽略第一金属条200b-1(底部金属测量条)的弯曲应力导致的放大臂200a挠度变形。
可选地，所述两个放大臂200a之间还连接有平衡元件200c。平衡元件200c可以抵消第一金属条200b-1因弯曲而产生的外力；或者平衡元件200c可以抵消降低第一金属条200b-1或第二金属条300b-1因弯曲而产生的外力的影响，以提高试验数据的准确性和科学性。具体实施过程中，平衡元件200c为弹簧，其两端分别挂接于或者焊接于或者通过第三缺口(200a-2)连接于两个放大臂200a。同样地，平衡元件200c在所述弧条组件100内的投影平行于所述弧条组件100的径向。
可选地，所述弧条组件100包括两个弧形支架100a；其中，所述两个弧形支架100a均为半圆形，所述两个弧形支架100a镜像布置以构造出所述放置空间。具体实施过程中，参照图2或3所示，两个弧形支架100a径向布置，且弧形支架100a呈半圆形，以构造处圆弧形的放置空间。该放置空间用于放置圆柱形的试样样。参照图2或3所示，环形支架100a的中部具有固接部，固接部用于连接作用杆100b。固接部优选为螺孔，以通过螺纹的方式连接作用杆100b。作用杆100b远离固接部的一端构造为弧形，以作用于试样样。在三轴试验过程中，试样产生径向变形时，通过作用杆将径向变形传递至弧形支架100a，而后传递到放大臂200a上，而后放大第一金属条200b-1上，通过光纤光栅的信号变化而被测量。
可选地，所述两个弧形支架100a分别通过铰接轴与对应的放大臂200a的铰接。具体实施过程中，弧形支架100a具有第一铰接孔100a-2；具体实施过程中，参照图7所示，放大臂200a的端部具有第二铰接孔200a-3和第三铰接孔200a-4。第二铰接孔200a-3和第三铰接孔200a-4在放大臂200a的长度方向上间隔布置；其中，当第二铰接孔200a-3与第一铰接孔100a-2通过铰接轴实现铰接时，两个放大臂200a呈X型设置，如图4所示，此时两个放大臂200a之间通过第三铰接孔200a-4实现铰接(另一铰接轴与第三铰接孔200a-4同时配合)；或者，当第三铰接孔200a-4与第一铰接孔100a-2通过铰接轴实现铰接时，两个放大臂200a呈倒V型设置，如图1所示，此时两个放大臂200a之间通过第二铰接孔200a-3实现铰接(另一铰接轴与第二铰接孔200a-3同时配合)。
可选地，所述测量装置还包括延长组件，所述延长组件包括两个延长臂300a，所述两个延长臂300a分别与各自对应的弧形支架100a固定连接；其中，所述两个放大臂300a的远离所述弧条组件100一端均构造有第二缺口，所述第二缺口用于放置第二测量条300b，所述第二测量条300b在连接于所述第二缺口后呈拱形；所述第二测量条300b在所述弧条组件100内的投影平行于所述弧条组件100的径向。具体实施过程中，两个延长臂300a分别与对应的弧形支架100a固定连接，比如，弧形支架100a具有第一螺孔100a-1，以与延长臂300a的第二螺孔300a-2通过螺纹连接。参照图8所示，所述两个放大臂300a具有第二缺口300a-1；结合图1、4和6所示，所示，第二缺口300a-1远离所述弧条组件100一端，用于嵌合第二测量条300b；两个第二缺口300a-1之间的长度(在弧条组件100的径向方向上)小于两个第二测量条300b的长度，从而所述第二测量条300b在连接于所述第二缺口300b-1后呈拱形。
可选地，所述第二测量条300b包括第二金属条300b-1和第二光纤光栅传感器300b-2，所述第二光纤光栅传感器300b-2与所述第二金属条300b-1连接。连接螺母将弧形支架100a与延长臂300a固定以保证第二金属条300b-1上的变形等于或近似等于岩土试样径向变形；光纤光栅传感器是性能优良的光学反射波敏感元件，其通过Bragg光栅反射波长的移动来感应外界的微小变形变化，其体积小、重量轻、数据稳定、抗电磁干扰能力强、安全可靠。具体实施过程中，第二光纤光栅传感器300b-2可以是粘贴于第二金属条300b-1。如图1所示，第二光纤光栅传感器300b-2粘贴于第二金属条300b-1的拱形顶部；不限于此，第二光纤光栅传感器300b-2还可以按照第二金属条300b-1的长度方向间隔布置，以形成分布式的采集点。如图11所示，为第二光纤光栅传感器300b-2采集的径向变形曲线示意图(第二金属条300b-1)。
本测量装置的一个优选的实时方式为：弧条组件100和放大组件选用铝合金材料制成以降低装置重量，第一金属条和第二金属条选用铜金属制成，因其具有较好的弹性，能够响应岩土的径向变形而变形。装配好的多尺度测量径向应变结构，如图1所示或4所示。连接螺母将弧形支架100a与延长臂300a固定以保证第二金属条300b-1上的变形等于或近似等于岩土试样径向变形；弧形支架100a的两端与放大臂200a通过微型滚轴(铰接轴)连接，放大臂200a的中间部位与平衡元件200c(弹簧)连接以抵消(或降低)第一金属条200b-1或第二金属条300b-1因弯曲而产生的外力，放大臂200a的底部具有第一缺口200a-1(呈微小的U型)与第一金属条200b-1(底部金属测量条)的端部连接(以将第一金属条200b-1嵌合)，当岩土试样的径向变形通过微型滚轴(铰接轴)传递到放大臂200a上，而后放大第一金属条200b-1上，通过光纤光栅的信号变化而被测量。该测量装置的放大臂200a要求结构为刚性的或接近刚性的(这种刚性是：放大臂200a的刚度相对于第一金属条200b-1而言的)，以忽略第一金属条200b-1(底部金属测量条)的弯曲应力导致的放大臂200a-1挠度变形；同时，新型多尺度岩土试样径向变形测量装置的重量应尽量控制在150g以内以便于实际应用和降低对岩土试样的扰动。
从图10和图11为本实施例应用于直径75mm的三轴的岩土样的动荷载中，得到的数据结果：可以看出，本发明提供的测量装置的不同部位的测量条测得的岩土的径向变形曲线具有较好的同步性，且测得岩土的径向变形是连续不断的。
本发明还提出一种岩土径向变形的测量系统，该测量系统包括数据处理器和测量装置，该测量装置的具体结构参照上述实施例，由于测量系统采用了上述所有实施例的全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。其中，数据处理器用于对第一光纤光栅传感器和/或第二光纤光栅传感器采集到的信号进行调制、降噪、拟合等以得到岩土样的径向变形，如图10和/或11所示。
以上所述仅为本发明的可选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (9)
1.一种岩土径向变形的测量装置，其特征在于，所述测量装置包括：
弧条组件，所述弧条组件具有待测岩土的放置空间；
放大组件，所述放大组件包括彼此相互铰接的两个放大臂，且所述两个放大臂分别铰接于所述弧条组件；所述两个放大臂之间设置有第一测量条；
其中，所述第一测量条在所述弧条组件内的投影平行于所述弧条组件的径向，所述两个放大臂之间还连接有平衡元件，所述平衡元件用于抵消所述第一测量条因弯曲而产生的外力，且所述第一测量条的端部为尖端。
2.如权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述两个放大臂的远离所述弧条组件一端均构造有第一缺口，所述第一缺口用于放置所述第一测量条，所述第一测量条在连接于所述第一缺口后呈拱形。
3.如权利要求2所述的测量装置，其特征在于，所述第一测量条包括第一金属条和第一光纤光栅传感器，所述第一光纤光栅传感器与所述第一金属条连接。
4.如权利要求3所述的测量装置，其特征在于，所述两个放大臂为刚性的。
5.如权利要求1至4中任一项所述的测量装置，其特征在于，所述弧条组件包括两个弧形支架；
其中，所述两个弧形支架均为半圆形，所述两个弧形支架镜像布置以构造出所述放置空间。
6.如权利要求5所述的测量装置，其特征在于，所述两个弧形支架分别通过铰接轴与对应的放大臂的铰接。
7.如权利要求5所述的测量装置，其特征在于，所述测量装置还包括延长组件，
所述延长组件包括两个延长臂，所述两个延长臂分别与各自对应的弧形支架固定连接；
其中，所述两个放大臂的远离所述弧条组件一端均构造有第二缺口，所述第二缺口用于放置第二测量条，所述第二测量条在连接于所述第二缺口后呈拱形；
所述第二测量条在所述弧条组件内的投影平行于所述弧条组件的径向。
8.如权利要求7所述的测量装置，其特征在于，所述第二测量条包括第二金属条和第二光纤光栅传感器，所述第二光纤光栅传感器与所述第二金属条连接。
9.一种岩土径向变形的测量系统，其特征在于，所述测量系统包括数据处理器和权利要求1至8中任一项所述的测量装置。
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